Premio Nobel de Medicina 2023: el ARN toma la delantera

Por Luis Marat Álvarez Salas, investigador del Laboratorio de Terapia Génica, del Departamento de Genética y Biología Molecular del Cinvestav

El premio Nobel en Medicina o Fisiología 2023 fue otorgado a la bioquímica húngaro-estadounidense Katalin Karikó y al inmunólogo Estadounidense Drew Weissman por su trabajo conjunto sobre “Modificaciones de las bases de nucleósidos que permitieron el desarrollo de vacunas eficaces de ARN mensajero contra el covid-19”. Este premio marca un nuevo hito en la investigación en ácidos nucleicos a tan solo un año del Nobel a Svante Pääbo por su trabajo con material genético antiguo y a dos años del premio de química a Emmanuelle Charpentier y Jennifer A. Doudna por el desarrollo de la tecnología para editar el genoma.

La carrera científica de Katalin Karikó se ha centrado en estudiar mecanismos mediados por el ácido ribonucleico (ARN). Karikó nació en Szolnok en la planicie central de Hungría. Obtuvo su doctorado en bioquímica por la Universidad de Szeged (Hungría) en 1982 y después de un inicio convulso como postdoctorante en la Universidad de Temple en Filadelfia de 1985 a 1988, trabajó por más de 20 años en la Universidad de Pennsylvania (UPenn) como Profesora Adjunta siendo pobremente apoyada y definida por UPenn como “sin nivel de facultad”. UPenn nunca la contrató y recortó su salario en un intento de provocar su renuncia; no obstante, ella continuó con su investigación en vacunas de ARN en el laboratorio de Drew Weissman.

En agosto de 2005, en un artículo publicado en la revista Immunity, Karikó y Weissman describen qué modificaciones químicas presentes en el ARN mensajero (ARNm) proveen a la célula humana con una etiqueta molecular para distinguirlo del ARN proveniente de bacterias o tejido necrótico. Dicho artículo sembró las bases para el desarrollo de vacunas basadas en ARNm. En el 2006, Karikó cofundó y dirigió la empresa RNARx cuyo objetivo era producir vacunas de tercera generación basadas en ARNm.

Los avances de Karikó en RNARx le permitieron asociarse en el 2013 con la start-up alemana BioNTech RNA Pharmaceuticals, donde desarrolló la primera y enormemente efectiva tecnología de vacunas de ARNm que fue utilizada por las farmacéuticas Pfizer y Moderna para fabricar y desplegar exitosamente y en tiempo récord sus vacunas contra el agente causal de covid-19. En el 2022, como era de esperarse para una investigadora leal y devota a la ciencia, deja la industria y toma una posición como investigadora en la Universidad de Szeged en su país natal Hungría, donde labora actualmente.

Por su parte, el caso de Drew Weissman no podía ser más diferente. Después de su exitoso Doctorado en Inmunología en Vacunas y Microbiología de la Universidad de Boston en 1987, se incorpora como investigador a UPenn en 1997 para estudiar al ARN y su relación con el sistema inmune. Ahora es el investigador inaugural de la posición de profesor Roberts Family en investigación en vacunas, director del Penn Institute para Innovación en ARN, y profesor de medicina en la Escuela Perelman de Medicina en UPenn donde ha recibido múltiples reconocimientos y premios, incluida su incorporación a la Academia Nacional de Ciencias y la Academia Nacional de Medicina de los E.U.

Durante sus respectivas estancias en UPenn, Karikó y Weissman coincidieron en una fotocopiadora e intercambiaron sus ideas acerca de la falta de fondos para investigación en ARN. Pronto, Karikó comenzó a trabajar en el laboratorio de Weissman en el desarrollo de vacunas de ARN, una línea de investigación poco apreciada y en la que, en sus propias palabras, tuvieron que “pelear todo el camino” hasta el premio Nobel.

¿Cuál es la importancia del trabajo del dúo Karikó-Weissman? Para ello nos tenemos que remontar al inicio de la Biología Molecular. La información genética de cada especie en el planeta es almacenada, heredada y modificada en los ácidos nucleicos, que son macromoléculas cuyas características fisicoquímicas les permiten realizar estas funciones elementales para la vida en el planeta.

En general, hay dos tipos de ácidos nucleicos: El ácido 2’-desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Ambas macromoléculas se componen de largas series de elementos estructurales simples, como los eslabones de una cadena, conocidos como nucleósidos, que a su vez se integran por un anillo nitrogenado (adenina, citosina, guanina, timina, o uracilo en el caso del ARN), una azúcar de cinco carbonos (ribosa o 2’-desoxirribosa en el caso del ADN) ligados perpendicularmente por un enlace fosfodiéster.

En 1953, James W. Watson y Francis Crick publican su modelo del ADN, basado en las observaciones experimentales de Rosalind E. Franklin y Maurice Wilkins, donde se explican las funciones hereditarias del ADN sobre una estructura de doble hélice antiparalela y en la cual se almacena y resguarda la información genética por el apareamiento de los anillos nitrogenados de la adenina y la timina (par AT) y la citosina con la guanina (par CG).

En 1958, Francis Crick publica un modelo para el flujo de información genética en la célula conocido como el Dogma Central de la Biología Molecular. En este modelo, la información genética almacenada y heredada por el ADN es transcrita fielmente en ARN por enzimas especializadas, para ser traducida en una proteína por el ribosoma. Posteriormente en 1961, Marshall Nirenberg y Heinrich J. Matthaei demuestran que, efectivamente, el Dogma Central centraliza el flujo de información contenida en el ADN para la síntesis de proteínas a través de un código genético integrado por tres nucleósidos fosfatos consecutivos en una secuencia de ADN y el ARN transcrito, conocidos como codones. Cada aminoácido de una proteína, entonces, está codificado por al menos un codón distintivo en el ADN.

El Dogma Central ha sido la base teórica para el desarrollo de la biotecnología moderna, donde al ARN se le consideró solo como un intermediario transitorio. No obstante, la investigación en el ARN continuó lejos de los reflectores estableciendo inicialmente tres tipos diferentes de ARN involucrados con el Dogma Central: El ARN transcrito del ADN conocido como el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr), que integra el esqueleto molecular de los ribosomas donde se realiza la traducción a una proteína y cataliza la formación del enlace peptídico durante la traducción; y el ARN de transferencia (ARNt) que acarrea aminoácidos en el citoplasma al ribosoma para su incorporación a la proteína en síntesis durante la misma traducción.

La investigación en ARN ha continuado y ahora sabemos que guarda otras funciones dentro de la célula más allá de intermediar la síntesis de proteínas. Ahora sabemos que hay ARN que regula la expresión de genes como el ARN catalítico (ribozimas) y ARN no codificador (ARN que no será traducido en proteínas), y ARN genómico (de virus como en el genoma del VIH y SARS-CoV-2), ARN de reconocimiento estructural (como los riboswitches), etc. ¡Cuántas funciones para una molécula considerada transitoria!

Sin embargo, bajo la lógica del Dogma Central y desde que el ARNm se suponía con un papel funcionalmente igual en todas las especies vivientes, sería posible expresar proteínas en células desde un ARNm producido por medios artificiales (por sintetizadores automáticos) o biosintéticos (con el uso de enzimas polimerasas de ARN). Esta visión un tanto simplista, nos llevaría a la conclusión de que un ARNm exógeno a una célula podría expresarse produciendo así proteínas inexistentes en un genoma.

Sin embargo, aunque en muchas instancias esta circunstancia ocurre (p.ej. infección con un virus de ARN), cada grupo de organismos (bacterias, hongos, protistas, plantas y animales) presenta mecanismos de defensa contra ácidos nucleicos exógenos, incluido el ARN, lo que les permite conservar la integridad de su genoma y definir su expresión.

En nuestra especie, cada una de nuestras células posee un conjunto de proteínas (p.ej. las Toll-like Receptors o TLRs) que reconocen patrones moleculares presentes en el ADN, ARN y proteínas exógenas que le permiten identificar y eliminar a un patógeno invasor. Este sistema, conocido como inmunidad innata, resulta de vital importancia para mantener la integridad de nuestro genoma y conservar la homeostasis celular.

De esta forma, la respuesta inmune innata se activa cada vez que detecta patrones moleculares no propios para desatar un combate inmunitario sobre los patrones moleculares de patógenos infecciosos que tiene como resultado el destruir la célula infectada pero no la producción de anticuerpos neutralizantes en una respuesta adaptiva.  

Desde un punto estrictamente biotecnológico, el Dogma Central predice que si un ARNm exógeno es introducido a la célula, este expresará una proteína a partir de la información contenida en él, ya que solo se requeriría traducir el mensaje en una proteína antigénica que propiciaría la activación de una respuesta inmune adaptiva. Esto es, con la producción de anticuerpos neutralizantes y células citotóxicas específicos contra el patógeno.

Este principio llevó a proponer el uso de ARNm sintético como vacunas para estimular la producción de anticuerpos neutralizantes de patógenos directamente de nuestras propias células. Más allá de su bajo costo y facilidad de producción biosintética masiva, la ventaja de usar ARNm como vacuna es que nuestro genoma se basa en ADN, por lo que no existe el riesgo de un “accidente genético” en el que el ARNm se integrara al genoma celular.

No obstante, hasta el 2005 los intentos para tratar de inducir la producción de proteínas a partir de ARNm exógeno resultaron en una fuerte inducción de la respuesta innata, mas no en la producción de anticuerpos esperada en una respuesta adaptiva. ¿Cómo entonces una  célula distingue a sus propios ARNm? Aquí entran Karikó y Weissman, quienes encontraron que el ARNm de la célula presenta modificaciones químicas particulares en sus anillos nitrogenados que le permiten distinguirse de un ARNm producido artificialmente o de un patógeno que no las contiene.

Entonces Karikó modificó ARNm biosintético (un ARNm es demasiado grande para sintetizarse químicamente) con los mismos grupos presentes dentro del ARNm celular y lo utilizó en un modelo de células dendríticas (células inmunes que presentan proteínas a células productoras de anticuerpos) provisto por Weissman. El resultado fue espectacular: se produjo la proteína exógena la cual indujo una respuesta inmune adaptiva con la presencia de anticuerpos neutralizantes y citocinas como si se tratara de un patógeno completo.

Por supuesto, los resultados de Karikó y Weissman fueron vistos con escepticismo y hasta ridiculizados por la comunidad científica internacional que no podía creer una solución tan simple para un problema tan complejo. Para 2019, BioNTech al comando de Karikó ya tenía montada una unidad de producción de vacunas que encapsulaba el ARNm en nanopartículas lipídicas, lo que aseguraba la integridad del ARNm antes de su entrega a la célula.

Así, solo se buscaba la oportunidad y el financiamiento para probar la tecnología en la clínica. Dicha oportunidad llegó en 2020 con la pandemia de covid-19. Decenas de protocolos de producción de vacunas fueron probados en emergencia epidemiológica y las vacunas de ARNm demostraron su rapidez de producción, eficacia y seguridad.

Ante la incapacidad de producir las decenas de millones de vacunas requeridas en urgencia, BioNTech unió esfuerzos con el gigante farmacéutico Pfizer y se realizó por primera vez en la historia la producción y aplicación de una vacuna de ARNm. Poco tiempo después, la farmacéutica Moderna utilizó el mismo protocolo y principios descritos por Karikó y Weissman para producir su propia vacuna de ARNm.

Estas vacunas han salvado la vida y preservado la salud de millones de personas en todo el mundo al evitar un contagio letal de covid-19. Las disputas por la propiedad intelectual entre Pfizer y Moderna no se han hecho esperar en particular con las nanopartículas lipídicas, ya que el ARNm modificado está patentado por Karikó, Weissman, UPenn y BioNTech.

Sin embargo, el incansable trabajo científico de Karikó y su voluntad inquebrantable unida a las facilidades técnicas y experiencia científica de Weissman nos demuestran que la generación de conocimiento es la base para el avance de las sociedades modernas y nos permite enfrentar con éxito aun las crisis más severas.

Así, el ARN y sus muchas y aún desconocidas funciones se ha convertido en el sujeto de muchos grupos de investigación en México y el mundo, y sin duda se convertirá en la biomolécula del siglo XXI. Esperemos que este interés se refleje en mayor apoyo y nuevos descubrimientos.